深層攪拌樁和高壓旋噴在防洪堤施工中的應(yīng)用

林 鐘

（福建省水利水電工程建設(shè)公司，福州 350001）

深層攪拌樁和高壓旋噴在防洪堤施工中的應(yīng)用

林 鐘

（福建省水利水電工程建設(shè)公司，福州 350001）

深層攪拌樁以其操作簡(jiǎn)便、使用效果好、成本低等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)在水利工程地下防滲處理中使用較多，并由單頭攪拌樁向多頭攪拌樁發(fā)展，但受到了地形地質(zhì)條件限制。文章通過總結(jié)福州市閩江下游南港文山洲島防洪排澇工程地下垂直連續(xù)防滲墻施工，系統(tǒng)介紹其發(fā)展、施工工藝、施工注意事項(xiàng)以及和單管高壓旋噴樁的結(jié)合使用并進(jìn)行了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較。

防洪堤；防滲墻；單頭深層攪拌樁；雙頭深層攪拌樁；單管高壓旋噴樁

1 概 況

福州市閩江下游南港文山洲島防洪排澇工程位于位于福州市閩侯縣文山洲島，文山洲島防洪堤總長(zhǎng)為2858m。

本工程是在已完建的防洪堤外側(cè)，吹砂填筑反壓平臺(tái)，在反壓平臺(tái)以下造設(shè)一道防滲墻，對(duì)防洪堤基礎(chǔ)進(jìn)行防滲處理。筑墻工藝采用深層攪拌樁和單管高壓旋噴樁，反壓平臺(tái)坡腳根據(jù)地形高低采用拋石護(hù)腳或混凝土齒墻防護(hù)，坡面砌筑混凝土預(yù)制塊。

本項(xiàng)目由福建省水利水電工程建設(shè)公司承建，工程于2012年6月18日開工，2013年9月5日完工。其中，防滲墻施工于2012年10月12日開始，2012年11月26日完成，工期1個(gè)月零15d，共完成深層攪拌樁防滲墻11044.52m2、單管高壓旋噴樁防滲墻825.50m2。現(xiàn)就防滲墻施工總結(jié)如下：

2 地形地質(zhì)

工程沿線地形為閩江河漫灘地，屬于閩江一級(jí)階地。在勘探深度（20m）范圍內(nèi)，為第四紀(jì)土層覆蓋，地層變化大而復(fù)雜，工程地質(zhì)主要為閩江古河道沖積、淤積區(qū)砂質(zhì)土壤和中細(xì)砂，局部為傍山殘積土。

沿防洪堤軸線，樁號(hào)0＋354.5～0＋372.5、0＋405.1～0＋411.7、0＋421.0～0＋472.6、0＋601.5～0＋605.0、0＋646.9～0＋666.1堤段為拋石丁壩區(qū)，填埋著大量亂毛石。

3 防滲墻施工情況

根據(jù)防洪堤沿線地質(zhì)情況，防滲墻施工采取了以下方案：

1）樁號(hào) 0＋000～0＋354.5、0＋372.5～0＋405.1、0＋411.7～0＋421.0、0＋472.6～0＋601.5、0＋605.0～0＋646.9、0＋666.1～1＋000堤段地層主要為砂質(zhì)土壤和中細(xì)砂，局部為傍山殘積土，采用深層攪拌樁防滲墻；

2）樁號(hào)0＋354.5～0＋372.5、0＋405.1～0＋411.7、0＋421.0～0＋472.6、0＋601.5～0＋605.0、0＋646.9～0＋666.1堤段地層內(nèi)填埋著大量亂毛石，深層攪拌樁施工難以進(jìn)行，采用單管高壓旋噴樁防滲墻。施工方法如下：

3.1 深層攪拌樁防滲墻

深層攪拌樁以其操作簡(jiǎn)便、使用效果好、成本低等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)在水利工程地下防滲處理中使用較多［1］。其前身始于使用石灰粉體作為加固材料，對(duì)地基進(jìn)行加固處理，即石灰柱法（LimeColumns Method），由瑞典于1967年率先提出。

同年日本運(yùn)輸部海灣技術(shù)研究所研制成功攪拌機(jī)械，1974年開始應(yīng)用于實(shí)際工程，簡(jiǎn)稱CMC（Clay MixingConsolidation）法。

1977年我國(guó)冶金部建筑研究總院和交通部水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院進(jìn)行深層攪拌機(jī)械研制和室內(nèi)試驗(yàn)，90年代廣泛應(yīng)用于工業(yè)民用建筑工程地基處理上。

近年來(lái)開始應(yīng)用于水利工程，并由單頭深層攪拌樁向多頭深層攪拌樁發(fā)展。1999年在長(zhǎng)江干堤一期保安加固工程赤心堤段防滲處理中，曾使用三頭小直徑深層攪拌樁造墻工藝進(jìn)行防滲墻施工，取得了良好效果。

深層攪拌樁加固的基本原理，是基于水泥加固土的物理化學(xué)反應(yīng)，其作用復(fù)雜，看法各異，普遍認(rèn)為有3種狀態(tài)：

1）水泥的水解和化學(xué)反應(yīng)。

即水泥顆粒的礦物與水發(fā)生水解和化學(xué)反應(yīng)，生成氫氧化鈣Ca（OH）和含水硅化鈣3CaO.2SiO.223H2O。

2）離子交換和固化作用。

土粒遇水后表面帶有鈉離子Na＋和鉀離子K＋，他們能和水泥水化生成的氫氧化鈣中的鈣離子Ca＋＋進(jìn)行離子交換，使大量的土粒形成較大團(tuán)粒。

水泥水化后生成的凝膠粒子的比表面積，比原水泥顆粒的比表面積大1000倍，其表面能較大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附活性，使團(tuán)粒進(jìn)一步結(jié)合并填充團(tuán)粒之間孔隙，形成堅(jiān)固的大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體。

3）硬凝反應(yīng)。

由于水泥水化反應(yīng)的深入，溶液中析出大量的超出交換需要的鈣離子Ca＋，在堿性環(huán)境中，與組成黏粒礦物質(zhì)中的SiO2、Al2O3進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的穩(wěn)定性良好的結(jié)晶礦物。

深層攪拌樁施工采用425＃普通硅酸鹽水泥作為固化劑，水泥摻入量一般為加固體重的15%左右。其施工工藝：

1）就位。

移動(dòng)攪拌樁機(jī)架軌道，調(diào)整攪拌機(jī)架，使深層攪拌機(jī)達(dá)到樁位并對(duì)中。

2）攪拌下沉。

啟動(dòng)攪拌機(jī)電機(jī)，放松攪拌機(jī)起吊繩，使攪拌機(jī)沿著導(dǎo)向架切土攪拌下沉，攪松土體，下沉速度由電機(jī)的電流監(jiān)測(cè)表監(jiān)控。

3）固化劑制備。

攪拌機(jī)下沉至一定深度時(shí)，即開始按預(yù)定水泥摻入量和水灰比拌制水泥漿，并將水泥漿倒入泥漿泵集料斗中備噴。

4）噴漿攪拌提升。

待攪拌機(jī)下沉到設(shè)計(jì)深度后，開啟泥漿泵，使水泥漿連續(xù)流入土體，攪拌機(jī)邊噴漿邊旋轉(zhuǎn)邊按確定的速度提升（噴漿時(shí)保持其出口壓力在0.4～0.6MPa，轉(zhuǎn)速在60r／min左右），使土體和水泥漿混和在一起，直至設(shè)計(jì)要求樁頂標(biāo)高。

5）重復(fù)攪拌下沉。

為使已噴入土中的水泥漿與土體充分?jǐn)嚢杈鶆颍俅螌嚢铏C(jī)邊旋轉(zhuǎn)邊沉入土中，直至設(shè)計(jì)要求深度。

6）重復(fù)攪拌提升。

一般情況下將攪拌機(jī)邊旋轉(zhuǎn)邊提升，再次回到設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高，并上升至地面，即完成制樁。對(duì)樁頂以下2～3m范圍內(nèi)或其他需要加強(qiáng)在重復(fù)攪拌提升時(shí)噴水泥漿。當(dāng)水泥摻入量較大時(shí)，可在重復(fù)攪拌提升時(shí)噴水泥漿，也可在攪拌下沉?xí)r噴水泥漿。

7）清洗。

向集料斗注入適量清水，開啟泥漿泵，清洗管道中殘留水泥漿，直至基本干凈。同時(shí)，將黏附于攪拌頭的土清洗干凈。

8）移位。

完成上述工序后，移機(jī)進(jìn)行下一根樁施工。重復(fù)進(jìn)行上述步驟，使制成的樁一根根連接起來(lái)，即于土體內(nèi)形成連續(xù)防滲墻。

深層攪拌樁施工時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)：

1）施工時(shí)遇到石塊、樹根等障礙物，攪拌機(jī)無(wú)法下沉，出現(xiàn)電流值升高、電機(jī)跳閘等情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理，如挖除障礙物。

2）如下沉困難時(shí)，可啟動(dòng)攪拌機(jī)加壓裝置加大切土壓力攪拌下沉，或啟動(dòng)泥漿泵輸送漿液以利鉆進(jìn)。

3）攪拌機(jī)攪拌下沉?xí)r一般不宜沖水，遇到硬土層下沉太慢時(shí)，如考慮采用輸漿系統(tǒng)補(bǔ)給清水進(jìn)行攪拌下沉，噴泥漿前應(yīng)將輸漿管內(nèi)的水排盡。

4）攪拌機(jī)噴漿時(shí)升降速度控制在 0.2～1.0m／min，應(yīng)保證水泥漿連續(xù)噴射，因故停漿，再次噴漿時(shí)應(yīng)考慮50cm搭接復(fù)噴，以防出現(xiàn)斷樁等。

5）因故停機(jī)恢復(fù)供漿時(shí)，若停機(jī)時(shí)間超過3h，應(yīng)對(duì)輸漿管道進(jìn)行清洗。

6）當(dāng)噴漿口到達(dá)樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，宜停止提升攪拌數(shù)秒，以保證樁頭均勻密實(shí)。

7）樁與樁之間施工間隔時(shí)間≤24h，如果間隔時(shí)間太長(zhǎng)，應(yīng)視情況補(bǔ)樁或加大鄰樁水泥量。

8）遇土體深層障礙物不能成樁的應(yīng)在附近加樁，或采用其他方法。

9）出現(xiàn)攪拌土體與攪拌機(jī)頭同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，若不是灰漿濃度過大，應(yīng)考慮調(diào)整葉片角度或更換鉆頭。

10）噴漿達(dá)到樁頂面，集料斗中的水泥漿未能正好排空，應(yīng)重新標(biāo)定泥漿輸漿量。

本工程深層攪拌樁防滲墻施工原設(shè)計(jì)采用雙頭攪拌樁成墻方法，投入2臺(tái)套雙頭深層攪拌樁機(jī)組。因施工期較緊，中途增加了1臺(tái)套單頭深層攪拌樁機(jī)組，樁號(hào)0＋901.7～1＋000堤段采用單頭攪拌樁成墻方法。詳述如下：

3.1.1 雙頭深層攪拌樁施工

雙頭深層攪拌樁施工采用SJB－1型雙頭深層攪拌樁機(jī)進(jìn)行。其工作原理：一套深層攪拌機(jī)安裝兩根攪拌軸，利用深層攪拌機(jī)兩根攪拌軸同時(shí)在土層內(nèi)鉆進(jìn)、提升并往土體中噴射水泥漿液，同時(shí)借助于各自攪拌軸旋轉(zhuǎn)攪拌，使噴入土體中的水泥漿和土體充分拌和，一次形成兩根具有一定強(qiáng)度的樁體，將樁體逐根緊密連接起來(lái)便形成一道地下連續(xù)防滲墻。施工采用技術(shù)參數(shù)：樁長(zhǎng)11.0～13.5m，樁徑Φ40cm，樁孔孔距30cm，水泥摻入量為17%，漿液水灰比0.7～0.8，提升速度0.7m／min左右，孔位偏差＜5cm，樁孔垂直度＜1.0%，抗?jié)B系數(shù)K＜10－6cm／s。成墻工藝采用四攪四噴制樁法，即攪拌機(jī)在攪拌下沉及攪拌提升兩個(gè)循環(huán)過程中均同時(shí)噴漿。施工時(shí)每臺(tái)機(jī)組配6個(gè)工人，平均施工能力6.3m2／臺(tái)時(shí)，水泥耗用量 126.7kg／m2，單位工程造價(jià)103.79元／m2。

3.1.2 單頭深層攪拌樁施工

單頭深層攪拌樁施工采用GZB－600型單頭深層攪拌樁機(jī)進(jìn)行。其工作原理：一套深層攪拌機(jī)安裝一根攪拌軸，利用深層攪拌機(jī)攪拌軸在土層內(nèi)鉆進(jìn)、提升并往土體中噴射水泥漿液，同時(shí)借助于攪拌軸旋轉(zhuǎn)攪拌，使噴入土體中的水泥漿和土體充分拌和，一次形成一根具有一定強(qiáng)度的樁體，將樁體逐根緊密連接起來(lái)便形成一道地下連續(xù)防滲墻。施工采用技術(shù)參數(shù)：樁長(zhǎng)13.5m，樁徑Φ50cm，樁孔孔距40cm，水泥摻入量為17%，漿液水灰比0.7～0.8，提升速度0.7m／min左右，孔位偏差＜5cm，樁孔垂直度＜1.0%，抗?jié)B系數(shù)K＜10－6cm／s。成墻工藝采用四攪四噴制樁法，即攪拌機(jī)在攪拌下沉及攪拌提升兩個(gè)循環(huán)過程中均同時(shí)噴漿。施工時(shí)每臺(tái)機(jī)組配6個(gè)工人，平均施工能力4.3m2／臺(tái)時(shí)，水泥耗用量145.0kg／m2，單位工程造價(jià)155.0元／m2。

3.2 單管高壓旋噴樁防滲墻

樁號(hào) 0＋354.5～0＋372.5、0＋405.1～0＋411.7、0＋421.0～0＋472.6、0＋601.5～0＋605.0、0＋646.9～0＋666.1堤段原設(shè)計(jì)為深層攪拌樁防滲墻。由于地層中填埋著大量亂毛石，在吹砂填筑反壓平臺(tái)前，雖然用挖掘機(jī)和人工進(jìn)行清理，但難以清除干凈，深層攪拌樁施工難以進(jìn)行，經(jīng)研究采用單管高壓旋噴樁施工方案。施工時(shí)投入2臺(tái)套TXV75／2TGJ－60型單管高壓旋噴設(shè)備。

單管高壓旋噴樁防滲墻在福州市城區(qū)防洪堤工程中已得到較大規(guī)模的應(yīng)用，其工作基本原理：鉆機(jī)鉆孔就位后，在高壓注漿泵作用下，通過安裝在鉆桿下端的特殊噴嘴，向四周土體噴射高壓水泥漿，借助泥漿液沖擊力切削土層，同時(shí)鉆桿以一定速度邊旋轉(zhuǎn)邊提升，使被切割土體與水泥漿充分混合在一起，一次形成一根具有一定強(qiáng)度的樁體，將樁體逐根緊密連接起來(lái)便形成一道地下連續(xù)防滲墻。

本工程施工采用技術(shù)參數(shù)：樁長(zhǎng)11.0～13.5m，樁徑Φ60cm，樁孔孔距55cm，水泥摻入量180kg／m左右，漿液水灰比 1.0～1.5，提升速度 0.15～0.20m／min，工作壓力 ＞20MPa，轉(zhuǎn)速20rpm，孔位偏差 ＜5cm，樁孔垂直度 ＜1.0%，抗?jié)B系數(shù) K＜10－6cm／s。成墻工藝采用一鉆一噴制樁法，即鉆機(jī)先干鉆就位，噴漿在鉆機(jī)提升時(shí)進(jìn)行。施工時(shí)每臺(tái)機(jī)組配6個(gè)工人，平均施工能力2.2m2／臺(tái)時(shí)，水泥耗用量327.3kg／m2，單位工程造價(jià)440.0元／mm2。

4 工程檢測(cè)

為了驗(yàn)證防滲墻施工質(zhì)量，建設(shè)單位聯(lián)合設(shè)計(jì)、監(jiān)理、質(zhì)監(jiān)3家單位，于2001年2月1日、2月16日、1月24日，分3次對(duì)施工后的防滲墻進(jìn)行開挖檢查。開挖檢查后，分3次對(duì)開挖地段的防滲墻進(jìn)行取芯檢測(cè)，以檢驗(yàn)抗?jié)B強(qiáng)度。詳情如下：

開挖檢查：對(duì)樁號(hào) 0＋245.0、0＋278.9、0＋450.0、0＋580.0、0＋690.0、0＋900.0、0＋906.0、0＋412.8共8地方進(jìn)行開挖檢查，開挖深度2.0～3.0m，長(zhǎng)度5.0m。其中雙頭深層攪拌樁防滲墻檢查6個(gè)地方，單頭深層攪拌樁防滲墻檢查1個(gè)地方，單管高壓旋噴樁防滲墻檢查1個(gè)地方。開挖揭示：墻體均連續(xù)完整，樁體輪廓均分明順直，樁體最大孔位偏差3.0cm。檢查結(jié)果均符合要求。

取芯檢測(cè)：對(duì)樁號(hào)0＋245.0、0＋278.9、0＋450.0、0＋580.0、0＋690.0、0＋900.0、0＋906.0、0＋412.8共8地方進(jìn)行鉆芯取樣，以檢驗(yàn)抗?jié)B強(qiáng)度。其中雙頭深層攪拌樁防滲墻取樣6組，單頭深層攪拌樁防滲墻取樣1組，單管高壓旋噴樁防滲墻取樣1組。檢測(cè)結(jié)果均滿足要求。詳見表1。

5 施工比較

5.1 技術(shù)

3種防滲樁墻抗?jié)B能力相近。抗壓強(qiáng)度未行檢測(cè)，但從目測(cè)及敲擊可以判定，單管高壓旋噴樁抗壓強(qiáng)度比深層攪拌樁抗壓強(qiáng)度高。

深層攪拌樁較適應(yīng)于軟土層施工，也可用于一般砂土層施工，允許砂土層中存在少量小石子（一般直徑＜5cm），但在砂質(zhì)及硬土層中鉆進(jìn)、攪拌較困難，且刀片磨損較大。如果地層中存在較大石頭（一般直徑＞5cm），或小石子超過一定數(shù)量，深層攪拌樁施工容易卡鉆斷軸。與單頭深層攪拌樁施工對(duì)比，雙頭深層攪拌樁施工更容易卡鉆斷軸。但雙頭攪拌樁定位及成墻質(zhì)量較好。單管高壓旋噴樁幾乎適用于所有地基，可以在地形地質(zhì)較復(fù)雜，施工場(chǎng)地較狹窄的地段施工，并可用于其他防滲墻修補(bǔ)。在砂層中成樁質(zhì)量比土層中好。防滲墻抗?jié)B強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 防滲墻抗?jié)B強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

5.2 工效

雙頭深層攪拌樁防滲墻平均施工能力6.3m2／臺(tái)時(shí)，每臺(tái)機(jī)組配6個(gè)工人，工效最高；單頭深層攪拌樁防滲墻平均施工能力4.3m2／臺(tái)時(shí)，每臺(tái)機(jī)組配6個(gè)工人，工效次之；單管高壓旋噴樁防滲墻平均施工能力2.2m2／臺(tái)時(shí)，每臺(tái)機(jī)組配6個(gè)工人，工效最低。

5.3 經(jīng)濟(jì)

雙頭深層攪拌樁防滲墻樁徑為Φ400mm，水泥耗用量126.7kg／m2，單價(jià)103.79元／m2，單位工程造價(jià)最低；單頭深層攪拌樁防滲墻樁徑為Φ500mm，水泥耗用量145.0kg／m2，單價(jià)155.0元／mm2，單位工程造價(jià)次之；單管高壓旋噴樁防滲墻樁徑為Φ600mm，水 泥 耗 用 量 327.3kg／m2， 單 價(jià)440.0元／mm2，單位工程造價(jià)最高。

6 結(jié) 語(yǔ)

從本工程防滲墻施工可以看出，在水利工程中，采用垂直地下連續(xù)防滲墻進(jìn)行防滲處理，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，是比較經(jīng)濟(jì)有效的方法。在選擇防滲處理方案時(shí)，應(yīng)針對(duì)工程結(jié)構(gòu)、地形及地質(zhì)條件，選用既能適應(yīng)地形地質(zhì)條件，單位工程造價(jià)低，防滲措施又有效的防滲方式，以做到因地制宜、節(jié)約工程投資的目的。深層攪拌樁防滲墻，尤其是多頭深層攪拌樁防滲墻單位工程造價(jià)較低，在進(jìn)行地下防滲處理時(shí)，可優(yōu)先予以考慮。單管高壓旋噴樁防滲墻單位工程造價(jià)相對(duì)較高，但其設(shè)備簡(jiǎn)單、輕巧、便于移動(dòng)，施工場(chǎng)地要求小，適應(yīng)于較復(fù)雜的地形地質(zhì)，可用于各種地層防滲處理及其他地下連續(xù)防滲墻修補(bǔ)。

［1］田麗萍，裴芬，李淑娟.高壓旋噴和深層攪拌樁在福州防洪堤施工中的應(yīng)用［J］.黑龍江水利科技，2005，33（01）：104－105.

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1007－7596（2014）08－0047－04

2014－04－01

林鐘（1978－），男，福建福州人，工程師。